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Von der Tankmulde zur Lademulde. (Bildquelle: Dr. Schneider)

Ein so unscheinbares Bauteil wie die Tankmulde ist doch unverzichtbar, denn ohne Energiezufuhr bewegt sich nichts. „Seit Beginn der Fahrzeugtechnik gibt es Tankmulden“, steigt der Projektleiter für den Kunden BMW bei dem Automobilzulieferer Dr. Schneider Unternehmensgruppe, Johannes Strohmer, in das Fachgespräch ein. Vom Füllstützen für Dampf, später Gas, zur einfachen Einfüllöffnung für flüssigen Brennstoff für den Verbrenner, über die Diesel-Adblue-Kombi-Mulde sind wir heute bei der E-Mulde mit Ladesteckeraufnahme angekommen. Und mit dieser Entwicklung einher geht auch die größere Dimension der Mulde. Die Tankmulden und -deckel werden tendenziell größer, weil mehr Technik und Elektronik eingebaut wird. „Multifunktionsstecker und Schnellladefunktionen benötigen eben mehr Platz als ein einfacher Füllstutzen“, erklärt Strohmer und fügt scherzhaft hinzu: „Das ist schon fast eine weitere Tür.“

Mehr Tankmulden-Varianten bei höherem Kostendruck

Mechanik, Material, Dimensionen und Modellvielfalt der Mulden stellen die Entwickler bei Dr. Schneider vor nicht unerhebliche Herausforderungen. „Die Anforderungen und der Kostendruck, gerade im Hinblick auf die aktuelle wirtschaftliche Situation in der Automobilindustrie, steigen“, so Strohmer. „Derzeit befindet sich die Automobilindustrie in einem tiefgreifenden Wandel und diesen spüren wir in der Praxis schon in den Verhandlungen.“ Zu den Tankmulden-Kunden des Zulieferers gehören BMW, Daimler AG, und Volvo. Das Programm von Dr. Schneider für MFA-2-Tankmulden (Modulare Front Architektur und -Derivate) ist umfangreicher geworden. Zwar ist die Zahl der Fahrzeugmodelle nicht unbedingt größer geworden, jedoch hat die Vielfalt der Antriebe zugenommen und damit bei Hybridfahrzeugen die Anzahl der Mulden. „Die Variantenzahl der Mulde für ein Fahrzeugmodell ist deutlich gestiegen. Wir haben in demselben Entwicklungszeitraum fast die doppelte Arbeit gehabt aufgrund der Plug-in-Ladedose“, erläutert Jens Lindner, Produktentwickler für den Kunden Daimler AG bei Dr. Schneider.

Zudem hängt die Variantenzahl auch vom Absatzmarkt für das Fahrzeug ab. “ Für jedes Fahrzeug wird neben der Standard-Tankmulde eine Gleichstrom-E-Mulde entwickelt und für den chinesischen Markt auch eine dritte Mulde für die Wechselstromaufnahme. „Es kann also sogar sein, dass ein Fahrzeug drei Mulden hat“, ergänzt Strohmer. Die Mulden unterscheiden sich nicht grundsätzlich konzeptionell, jedoch in den Dimensionen und vor allem hinsichtlich des Fahrzeugdesigns. Wenn der Tankdeckel auf dem Hebelarm direkt aufliegt, verändert sich zum Beispiel die Aufnahme des Deckels an der Mulde. „Da der Tankdeckel heutzutage fast immer vom Design des Fahrzeugs abhängt, müssen wir für jedes Fahrzeugmodell eine eigene Mulde anbieten“, so der Projektleiter. Der Tankdeckel wird auch bei Dr. Schneider gefertigt, doch die Lackierung erfolgt beim OEM. Hintergrund ist die Anfälligkeit für Farbunterschiede im Lack, wenn Karosserie und Tankdeckel an verschiedenen Orten lackiert werden.

Die Nachfrage nach E-Lademodulen steigt, doch derzeit sind es vor allem Hybrid-Plug-In-Varianten, die diese Entwicklung vorantreibt. „Derzeit haben wir nur eine E-Mulde für ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug bei Daimler, das aktuell auch in Serie läuft. In Projektierung haben wir zwei weitere reine Elektrofahrzeuge. Es ist jedoch klar festzustellen, dass der Trend zur E-Mulde wächst“, betont Strohmer. „Als First-Tier-Zulieferer sind wir daran interessiert, großvolumige Aufträge zu akquirieren.“ Inzwischen gehören die E-Module zum Standardprogramm und sind Teil des Auftrags an den Zulieferer für ein neues Fahrzeugprojekt für einen OEM. „Wir werden meist als Full-Service-Supplier beauftragt.“ Und Linder fügt hinzu: „Mit der Hybridtechnik haben wir ein zusätzliches Bauteil in der Entwicklung, das benötigt wird.“ Diesen Trend sieht der Zulieferer sehr positiv, denn damit kann er von weiterem Entwicklungs- und Produktionsbedarf profitieren. Und nach aktuellen Marktprognosen wird der Marktanteil der Fahrzeuge mit Hybridtechnologie noch einige Jahre zunehmen, während die reinen E-Mobile erst langsam den Markt durchdringen. Für Module zur Wasserstoffbetankung von Brennstoffzellenfahrzeugen kann der Zulieferer bisher noch keine Anfragen registrieren.

Mechanik der Tank- oder Lademulde im Blickpunkt

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(Bildquelle: Dr. Schneider)

Die Muldenvarianten unterscheiden sich vor allem in der Mechanik und im Material. Ein Aspekt der Entwicklung von E-Mulden ist die mechanische Stabilität. Diese muss aufgrund der vergleichsweise schweren Ladestecker höher sein als bei einer konventionellen Mulde. Entsprechend sind die Dimensionen und die Verstärkung der E-Mulde auch größer. Außerdem ist die Zahl der Betätigungszyklen höher. Die Fahrzeuge werden häufiger elektrisch geladen als mit Kraftstoff betankt. Um diesen Anforderungen zu begegnen, wurden nach Aussage von Herrn Lindner Anpassungen an den Strukturbauteilen vorgenommen. Im Zuge der neuen Konstruktion wurden auch Materialien umgestellt. „Eine E-Mulde ist beim Laden geöffnet und deutlich länger als konventionelle Tankmulden der Sonne und der Witterung ausgesetzt. Entsprechend muss der eingesetzte Kunststoff UV-stabilisiert sein und witterungsbeständig sein“, erläutert Lindner.

Bildquelle:Dr. Etwina Gandert / Redaktion Plastverarbeiter

Jens Lindner, Produktentwickler, Dr. Thomas Meins, Leiter der Materialentwicklung und der Projektleiter Johannes Strohmer diskutieren den Einsatz nachhaltiger und CO2-sparender Kunststoffe in Tankmulden. (v. l. n. r.) Bildquelle: Dr. Etwina Gandert / Redaktion Plastverarbeiter

Für die Materialauswahl leistet sich Dr. Schneider eine interne Werkstofftechnik. Leiter der Abteilung ist der Chemiker Dr. Thomas Meins: „Weil wir eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien einsetzen ist es notwendig, hier eine hohe Kompetenz bereitzustellen. Allerdings compoundieren wir nicht selbst.“ Üblicherweise setzen Verarbeiter fünf bis sechs verschiedene Materialien ein, meint der Materialexperte. „Bei Dr. Schneider verarbeiten wir 15 verschiedene Polymere und in Summe etwa 800 verschiedene Rezepturen und Farben. Das setzt auch ein entsprechend hohes Know-how unserer Maschineneinrichter voraus.“ Der Zulieferer pflegt im Einkauf den direkten Kontakt zu den Rohstoffanbietern. Nach Erfahrung von Dr. Meins ist es sehr wichtig, genaue Kenntnisse über die Werkstoffe und ihre Eigenschaften zu haben, weil manchmal Theorie der Werkstoffbeschreibung und Praxis in der Verarbeitung sowie im Produkt nicht übereinstimmen. „Es kommt vor, dass wir gemeinsam mit dem Rohstoffanbieter an der Rezeptur nachjustieren müssen.“

Die Materialauswahl erfolgt eng abgestimmt nicht nur auf die Produktanforderungen, sondern auch auf den Prozess. Als Beispiel nennt der Werkstoffexperte die Dichtung einer Tankmulde, die im 2-K-Prozess oder per Aktivierung der Oberfläche gespritzt wird. „In diesem Fall haben wir die Hart- und Weich-Komponenten so aufeinander abgestimmt, dass sie eine chemische Bindung eingehen und fest miteinander verbunden sind.“

Eine weitere Forderung der OEMs, die gerade in den letzten Monaten an Bedeutung gewonnen hat, ist die Reduktion des CO2-Foodprints der Fahrzeugproduktion und damit auch der Bauteile, erklärt Dr. Meins. „Das kann beispielsweise ein Materialwechsel ermöglichen. So lässt sich der durch den Austausch von PC-ABS gegen PP bereits eine hohes CO2-Einsparpotenzial realisieren, weil der Herstellprozess des Polymers weniger CO2 erzeugt.“ Eine vergleichsweise einfach umzusetzende Materiallösung ist, Polymere mit Naturfasern zu verstärken. Dieses Material lässt sich gut im Spritzguss verarbeiten. „Hier haben wir konkrete Gespräche mit einem europäischen Automobilhersteller, für den bereits erste Tankmulden in der Validierung sind.“ Doch der Eigengeruch der Fasern ist stark. „An dem Prototyp der Tankmulde lässt sich das Holz an einem charakteristischen, leicht verkohlten Geruch erkennen“, so Dr. Meins. „Hieran wird deutlich, dass der Einsatz dieser Faser begrenzt ist, denn niemand möchte ein Fahrzeug fahren, dass nach verkohltem Holz riecht.“

Auch wenn die Glasfaser überlegen bleibt, zeigen die ersten Ergebnisse, dass die Naturfaser für diese Anwendung auszureichen scheint“, führt Dr. Meins aus. Im aktuellen Projekt ist die Holzfaser in PP eingebunden, der Einsatz von recyceltem PP ist möglich und würde den CO2-Foodprint weiter senken. Derzeit wird das naturfaserverstärkte Material zahlreichen Tests unterzogen, um die Serientauglichkeit sicherzustellen. „Bei solchen naturnahen Materialien wird neben den üblichen Untersuchungen auch besonderes Augenmerk auf das Quellverhalten der Werkstoffe gelegt“, ergänzt der Produktentwickler Lindner.

Ein anderes Beispiel für den Einsatz nachhaltigerer Werkstoffe ist der Hebelarm einer Tankmulden-Entwicklung. „Statt petrochemisch erzeugtes PA soll hier ein biobasiertes PA, das aus Rizinusöl hergestellt wird und mit Glasfaser verstärkt ist, verwendet werden“, beschreibt der Leiter der Werkstofftechnik. Als zweites Beispiel zeigt er eine Muldenvariante, für die eine konventionelle PP-Matrix mit recycelter Kohlfaser eingesetzt wurde. Dieses GFK-Compound hat das Unternehmen Wipag, eine Tochtergesellschaft der weltweit aktiven Albis Gruppe, geliefert. „Es ist schwierig für uns, mit kleinere Anbietern von nachhaltigeren Rohstoffen zu arbeiten. Wenn sie Nachhaltigkeit wollen, dann müssen sie global präsent sein. Da die OEMs in der Regel auch weltweit produzieren, macht es keinen Sinn, Bauteile, die in der Produktion den CO2-Footprint reduzieren, dann per Schiff über weite Strecken zu transportieren“, betont er. Allerdings machten kleinere Unternehmen nicht selten die Vorarbeit für größere Anbieter, weil sie flexibler sind, und deshalb auch für Dr. Schneider wichtig sind, führt er weiter aus.

Nach der Materialauswahl zum Prozess

Bildquelle:Dr. Etwina Gandert / Redaktion Plastverarbeiter

Für Qualitätssicherung der Wanddicken hat Dr. Schneider eine
spezielle Prüfeinrichtung entwickelt. Bildquelle: Dr. Etwina Gandert / Redaktion Plastverarbeiter

„Nach der Abmusterung des Werkstoffs erfolgt die Anpassung des Werkzeugs für den Spritzguss“, erläutert der Kunststoffingenieur Lindner weiter. „Es können Fließlinien oder Bindenähten bei dem neuen Material auftauchen, die sich über Änderungen im Werkzeug kaschieren lassen.“ Im Vorfeld der Entwicklung setzt der Zulieferer auch Simulationswerkzeuge für den Spritzgussprozess ein. Mit Moldex und Moldflow werden Fließverhalten, Füllprozess und Verzug vorhergesagt. „Aufgrund dieser Ergebnisse können wir dann Maßnahmen wie Veränderungen der Wandstärken oder den Zusatz von Fließhilfen ableiten“. Die Werkzeuge für die Spritzgießmaschinen übernimmt entweder Dr. Schneider selbst oder beauftragt dies extern. „Wenn die Werkzeuge reif sind, werden sie von Dr. Schneider abgenommen und in unseren Prozess eingebaut. Dann beginnt für uns der Optimierungsprozess mit dem Kunden. Dafür planen wir in der Regel mehrere Loops ein,“ so der Projektleiter Strohmer. „Insgesamt dauert der Prozess von der Beauftragung vom Kunden bis zur Marktreife je nach OEM circa zwei Jahre.“

Den Deckel der Mulde für Daimler fertigt das Unternehmen auf einer 350-t-Krauss Maffei-Anlage mit einer Zykluszeit von weniger als einer Minute und einer Toleranz im unteren Zehntelbereich. Das PA/PPE ist mit 20 Prozent GFK verstärkt. Die Rohstoffzufuhr erfolgt über eine zentrale Versorgung und das sensible Granulat wird über spezielle, energieeffiziente Trockner für die Produktion vorbereitet. Neben Kraus Maffei setzt Dr. Schneider Spritzgießmaschinen von Engel, Wittmann, Battenfeld und Sumitomo Demag ein. Das Handling an der Spritzgießanlage erfolgt über eine auf die Maschine abgestimmte Automationstechnik. In der gesamten Prozesskette kommen nur Lieferanten mit höchsten Ansprüchen an Prozessstabilität, technologischem Know-how und Energieeffizienz zum Einsatz.

Nach der Prozessentwicklung für den Spritzguss folgt die Serienentwicklung der Montage. „Die Vorserie ist quasi der erste Kunde“, konkretisiert Peter Nickel, Leiter der Vorserie bei Dr. Schneider. Denn bei der Konstruktion einer Mulde wird nicht nur auf die Anforderungen des Produkts, sondern auch auf Anforderungen aus der Fertigung eingegangen. Hier spielt die automatisierbare Montage der Einzelteile eine große Rolle, um die Produktion möglichst effizient zu gestalten. Daher wurde in der Konstruktion der hintere Bauraum der Achse einer Tankmulde so gestaltet, dass er trotz der großen Variantenzahl immer mit dem gleichen Roboter gegriffen werden kann. „So können wir mit einer Montageanlage beispielsweise acht Varianten montieren“, so der Prozessplaner für den Kunden Daimler, Matthias Konrad. Für die

Varianten mit unterschiedlicher Schließkraft und Öffnungsgeschwindigkeit werden verschiedene Zahnräder an der Achse montiert, die je nach Drehmoment des Zahnrads die Öffnungsgeschwindigkeit bestimmen. „Weil die Zahnräder jedoch gerade mal circa 10 mm Durchmesser haben, also sehr klein sind und entsprechend klein beschriftet sind, besteht Verwechslungsgefahr im laufenden Montagebetrieb“, erläutert Konrad.

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Peter Nickl, Leitung der Vorserie und Prozessplaner Matthias Konrad (v.l.n.r.) (Bildquelle: Dr. Etwina Gandert / Redaktion Plasverarbeiter)

Um den Montageprozess und die Kameraprüfung entsprechend robust zu gestalten, wurden verschiedene Poka-Yoke-Maßnahmen entwickelt und kommen mittlerweile bei allen Projekten zum Einsatz. Diese ermöglichen es, die Effizienz und Qualität im Prozess weiter zu steigern. Schließlich setzen wir variantenabhängig Kleinteile ein. 80 Prozent der Industrialisierung der Serienfertigung erfolgt in der Vorserienentwicklung. Diese dauert circa ein viertel bis ein halbes Jahr. In der Vorserie entwickelt der Zulieferer Wechselplatten für die automatisierten Montagedrehteller, die weltweit in der Produktion eingesetzt werden können.

In die Wechselplatte legt die Mitarbeiterin bei Dr. Schneider sieben Teile für die Mulde und den Deckel ein. Der Roboterarm fügt die Teile zusammen und die Mitarbeiterin entnimmt dem Drehteller die fertig montierte Mulde mit Deckel. In der Vorserie werden von der ersten Baustufe mit 150 Tankmulden bis zur dritten Stufe mit 400 bis 500 Tankmulden als ZSB (Endprodukt) montiert.

Ein Raum der Ideen für morgen

Einen Blick in die Zukunft der Tankmulde bietet Dr. Schneider in seinem Innovation Room. Hier stellt der Zulieferer seinen Kunden Ideen und Konzepte für die Mobilität von morgen vor. „In Zukunft wird die manuelle Öffnung der Tankmulde sicher durch einen Aktuator abgelöst“, schildert der Lead Engineer Innovation bei Dr. Schneider, Olaf Uhlenbusch. „Unser Demonstrator zeigt, wohin die Reise bei E-Mulden gehen kann. Wir haben hier beispielsweise eine Touch-Steuerung realisiert. Der Deckel öffnet nach oben und der integrierte Lichtleiter zeigt über die Lichtfarbe den Ladestatus an“, erklärt er. Möglich könnte in Zukunft aber auch eine Überwachung per App und eine Steuerung per Schlüsselbefehl oder per Geste sein.

Allerdings müssen solche Systeme gegen unbeabsichtigtes Entriegeln, wie sie dann in der Waschanlage oder bei starkem Fahrtwind eintreten könnte, abgesichert werden.“ Der Entwickler führt weiter aus: „Das smarte an der Demonstratorlösung ist auch, dass der Deckel elegant nach oben fährt, was letztendlich Platz spart.“ Konstruktiv ist diese Lösung recht anspruchsvoll, weil die mehrgelenkige Kinematik komplexer ist und nicht nur der Stecker, sondern auch die weiteren elektrischen Komponenten der Lademulde vor Regenwasser zu schützen sind.

Für mehr Kompetenz hinsichtlich solcher elektrischer Komponenten hat Dr. Schneider einen Teil der Elektronikfertigung von Loewe gekauft. Der TV-Hersteller Loewe musste im vergangenen Jahr Insolvenz anmelden und die regionale Nähe bot eine gute Gelegenheit, den Kompetenz- und Fertigungsbedarf bei dem Automobilzulieferer mit einem Zukauf zu decken. „Mit der fortschreitenden Elektrifizierung von Fahrzeugen müssen wir uns mehr und mehr mit elektronischen Bauteilen auseinandersetzen, die bis heute ausnahmslos zugekauft werden“, betont Olaf Uhlenbusch. Schlussendlich wird Dr. Schneider im zweiten Quartal 2020 mit der EMS-Produktion auf dem Betriebsgelände von Loewe beginnen.

Dr. Etwina Gandert

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

etwina.gandert@huethig.de